基于CDIO模式的復合材料實驗教學方法

郭智興， 鮮 廣， 熊 計

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

0 引 言

復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質復合而成的新型材料[1]，廣泛應用于航空航天、汽車、機械、船舶、建筑、電子、醫療和體育等行業[2-3]。復合材料由能承受載荷的增強體與連接增強體并傳遞力作用的基體構成。增強體主要包括顆粒和纖維，基體可分為金屬、陶瓷和聚合物3類。對于材料類和制造類專業，掌握復合材料的成分、工藝、組織、性能之間的關系非常重要[4]。實驗教學是理論教學的重要補充，也是培養實踐和創新能力的必需環節。但是，目前復合材料實驗教學中存在著實驗內容陳舊，脫離工程實際，實驗模式單一，以教師為中心等問題[5-6]。為培養學生的實踐能力和創新精神，引入新的工程教育理念和模式，進行實驗教學環節改革非常必要[7-8]。

CDIO模式是由麻省理工學院等4所大學進行聯合研究形成國際工程教育改革的新成果，CDIO 代表構思( Conceive) 、設計( Design) 、實現( Implement) 和運作( Operate) ，它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程的理論、技術與經驗[9-10]。CDIO理念強調“做中學”，是盡可能采用接近工程實際的綜合性設計項目進行教學，培養學生學生的學習熱情，聯系課程知識并運用于工程實踐[11]。本文提出將“項目制”思路融入實驗教學中，提出基于CDIO模式的實驗教學方法。結合工程實際構建出一個復合材料領域的項目庫；每個項目的實現都采用CDIO模式，即經過構思、設計、實施、運行等環節來完成。

1 適用于CDIO模式的實驗項目構建

CDIO模式下的實驗項目與傳統實驗項目不同，構建時應確保項目具有工程性、先進性、課程性、綜合性等特點。“工程性”是項目應來源于工程實際，具有較強的應用背景；“先進性”是項目內容和設計理念符合工程技術發展趨勢；“課程性”是項目應與課程教學大綱相符合；“綜合性”是項目的設計和解決需聯系多門課程，符合解決復雜工程問題能力的要求。基于復合材料課程中應掌握的成分-工藝-組織-性能關系的“三棱錐”型核心知識，針對航空航天、汽車工程、機械制造、電子信息等領域提出了9個CDIO實驗項目(見表1)，這些項目只有設計要求和目標，沒有給定實驗方案。要求學生通過協作，將理論知識用于項目實現過程中，達到培養學生解決復雜工程問題能力的目的[12]。

表1 基于CDIO模式的復合材料實驗項目

表1中的9個項目在實驗教學中都通過構思、設計、實施和運行等4個教學活動環節來完成。本文以項目8——電子封裝用高熱導率填充型環氧樹脂復合材料設計與制造為例，介紹基于CDIO模式的實驗教學方法。

2 基于CDIO模式的實驗教學流程

2.1 項目構思

環氧樹脂具有優異的黏結性能、熱穩定性，是目前最常用的電子封裝材料。但是，環氧樹脂的導熱系數較低，僅為0.18 W/m·K[13]。隨著電子元器件的微型化，其散熱能力成為影響手機、平板電腦壽命和穩定性的重要因素。基于復合材料的思想，向環氧樹脂中加入導熱性第二相，可改善其導熱性能[14]。加入異種顆粒后聚合物基復合材料的導熱模式如圖1所示。填料的體積分數較小，復合材料呈現“海-島” 結構，填料孤立地分散在聚合物基體中，導熱效果不佳；隨著填料體積分數增加，“島”之間形成導熱通路，復合材料導熱性提高；填料體積分數繼續增加后導熱通路相互交織，導熱性能顯著提高并趨于穩定[15]。熱傳遞的載體包括電子、聲子和光子，因此，構思出添加金屬、陶瓷和碳系材料等3種類型導熱顆粒提高環氧樹脂熱導率的項目思路。

圖1 填充型導熱聚合物基復合材料的導熱模式示意圖

2.2 項目設計

基于上述構思，本項目的復合材料的設計主要包括3方面。① 成分設計，采用Cu、AlN、石墨3種類型填料。② 添加量的設計，復合材料的導熱系數與導熱填料添加量相關，但過大添加量會導致黏度增大下降，無法進行混合和后續封裝操作，控制填料添加量為0%～60%(重量分數)的范圍。③ 粒度設計，根據:

式中:λc、λm和λf分別是復合材料、聚合物基體和填料的熱導率,Φ是填料的體積分數，Ki是填料與基體的等效界面系數。粒度不同導致界面數量的變化，項目選用1～74 μm的不同粒度填料。3組導熱環氧樹脂復合材料的設計見表2。

表2 填充型導熱聚合物基復合材料設計

2.3 項目實施

根據項目設計方案制備出導熱復合材料，項目實施流程如下。① 稱取計算量的環氧樹脂和固化劑(按1∶1的質量比)，并慢速混合，可根據黏度調節需要加入0%～30%的丙酮稀釋。② 按設計方案中的填料種類、質量分數、粒度等變量稱取導熱填料并加入上述混合的樹脂和固化劑中, 進行攪拌混合, 得到導熱環氧樹脂漿體。③ 將導熱環氧樹脂漿體澆注到直徑大于45 mm、厚度大于15 mm的塑料模具中并自然固化成型。④ 采用瞬態平面熱源法(Hotdisk法)測導熱系數，檢測裝置和導熱復合材料試樣如圖2所示。

圖2 導熱復合材料試樣與熱學性能檢測裝置示意圖

圖3是添加不同粒度銅粉填料環氧樹脂復合材料的導熱系數。可見，在0%～60%的添加范圍內，導熱系數隨添加量增大而增加，但低于20%的添加量對導熱系數改善作用不顯著；添加量相同時，細顆粒填料填充的復合材料導熱系數比粗顆粒填料填充的更低，這是由于細顆粒比粗顆粒填料填充的復合材料中熱傳導時遇到更多的二相界面，聲子的散射將更嚴重。

圖3 不同粒度的Cu填料環氧樹脂復合材料的導熱系數

2.4 項目運行

項目的運行階段，學生應將制備出的導熱環氧樹脂復合材料用于電子元件封裝。復合材料固化后檢測其服役性能，包括按硬度和抗壓強度等力學性能，確保固化后內應力低，黏結強度高，無開裂和脫層；在-55～155 ℃的溫度區間循環10次，檢測其服役過程中的耐熱性；在25 ℃，濕度55%的環境中服役24 h，檢測其吸水率；根據實際運行的情況對導熱復合材料制備技術進行持續改進。

另外，項目運行時學生應小組討論構思，撰寫設計報告，團隊合作實施項目，最后進行項目答辯。項目的考核不以實驗報告為唯一依據，而是通過匯報、答辯、提交報告等形式對4個環節進行綜合評定；另一方面對學生進行團隊+個體相結合，自評+互評+教師評價相結合的綜合考核方式。

3 結 語

針對復合材料實驗教學中存在的問題，提出了“項目制”實驗教學和CDIO模式相融合的實驗教學方法。構建了面向航空航天、汽車工程、機械制造、電子信息等領域的項目庫供學生選擇，學生按構思、設計、實施、運行的工程鏈流程完成項目工作。基于CDIO模式的實驗教學，可培養學生的學習熱情、實踐能力、創新思維和綜合運用知識解決復雜工程的能力。